(57)【要約】【課題】吸収が少なく、成長層上の表面が荒れることがなく、結晶性のよい発光層の成長ができ、放熱性に優れ、発光効率が高く、格子不整合が少なく、かつ高出力な半導体発光素子を提供する。【解決手段】ｎ型基板１０１と、ｎ型基板１０１の表面上に形成された反射層１０３と、その上に形成されたｎ型クラッド層１０４，１０５と、その上に形成された発光層１０６と、その上に形成されたｐ型クラッド層１０７とを備え、反射層１０３およびｎ型クラッド層１０４は、ｎ型基板１０１の表面上に成長させたｎ型コンタクト層１０２に、イオン注入法により金属化合物を注入して形成されたものであることを特徴とする半導体発光素子。【選択図】        図１
2005129684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型基板と、
前記第１導電型基板の表面上に形成された反射層と、
前記反射層上に形成された第１導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層上に形成された発光層と、
前記発光層上に形成された第２導電型クラッド層と
を備え、
前記反射層および前記第１導電型クラッド層は、前記第１導電型基板の表面上に成長させた第１導電型半導体層に、イオン注入法により金属化合物を注入して形成されたものであることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記発光層と前記第２導電型クラッド層の間に形成された電流層をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記両クラッド層のバンドギャップエネルギーは、前記発光層および前記電流層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、
前記電流層のバンドギャップエネルギーは、前記発光層のバンドギャップエネルギーよりも小さい
ことを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記電流層と前記発光層とのバンドギャップエネルギーの差は、０．３［ｅＶ］未満であることを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記基板が、ＧａＮ基板，ＳｉＣ基板，Ｓｉ基板，ＧａＡｓ基板，ＧａＡｌＮ基板，ＡｌＮ基板のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記反射層が、Ａｌ，Ｉｎ，Ａｕ，Ａｇ、またはその化合物からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光発光素子。
【請求項７】
前記第１導電型クラッド層、前記発光層、前記第２導電型クラッド層は、ダブルヘテロ構造、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造、または量子ドット構造のいずれかによって構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記基板と前記発光層の熱膨張率が同じであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザ（ＬＤ）、スーパールミネセンスダイオード（ＳＤＬ）等の半導体発光素子に関し、特に、放熱性が良く、吸収ロスが少なく、高出力な半導体発光素子発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ等を用いた窒化ガリウム系化合物半導体を紫外発光素子が量産されるようになっている。このような半導体発光素子では、上記窒化ガリウム系化合物半導体の混晶比を変化させることにより、紫外領域から赤外領域まで発光色を調整することができる。
【０００３】
図３は発光層がＧａＮからなる従来の窒化ガリウム系化合物半導体紫外発光素子の基本的な構成を示す図である。この図３の紫外ＬＥＤは、サファイア基板５０１上に、ＧａＮからなるバッファー層５０２、ＳｉＯ２からなるマスク層５０３、ｎ型のＧａＮからなるコンタクト層５０４、ｎ型のＧａＡｌＮからなるクラッド層５０５、ＧａＮからなる発光層５０６、ｐ型のＧａＡｌＮからなるクラッド層５０７、ｐ型のＧａＮからなるコンタクト層５０８を順次形成し、ｐ型コンタクト層５０８上にｐ電極５０９を設け、ｎ型コンタクト層５０４の上にｎ電極５１０を設けたものである。
【０００４】
図３において、サファイア基板５０１上に、バッファー層５０２のみならず、ＳｉＯ２マスク層５０３が形成されているのは、サファイア基板５０１上に直接、コンタクト層５０４や発光層５０６等のＧａＮ層を形成すると、六角形状のモファロジーが強く現れてしまい、結晶欠陥が多くなり、結晶性を向上させるためである。また、電子と正孔の再結合を効率よく行わせ、発光効率を上げるために、バンドギャップエネルギーの大きい材料からなるクラッド層５０５，５０７により、発光層５０６が挟み込まれたダブルへテロ構造となっている。
【特許文献１】特開２００２−９４１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の半導体発光素子では、ＧａＮバッファー層５０２およびｎ型ＧａＮコンタクト層５０４が、紫外光に対して不透明なため、光吸収層となり、発光効率が低下する問題があった。これを避けるため、サファイア基板５０１の上に直接、透明なｎ型ＧａＡｌＮクラッド層５０５を形成することが考えられる。しかし、この場合、ｎ型クラッド層５０５は、その厚さを１〜５［μｍ］程度とするが、表面が荒れてしまい、この上に形成するＧａＮ発光層５０６、ｐ型クラッド層５０７によって形成された発光領域の結晶性が低下するという問題があった。このため、発光する光に紫外光よりも長波長のスペクトルが含まれてしまい、紫外光の発光効率が低下する問題があった（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、ｐ型クラッド層５０７上に電極を形成後、この電極上に基板を貼り付け、サファイア基板５０１を剥離し、ＧａＮバッファー層５０２、ｎ型ＧａＮコンタクト層５０４を研磨して削除し、残ったクラッド層、発光層で紫外発光素子を形成するという、材料ロスが多く、工数もかかる方法がとられていた。
【０００７】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、光吸収が少なく、成長層上の表面が荒れることがなく、結晶性のよい発光層の成長ができ、放熱性に優れ、発光効率が高く、格子不整合が少なく、かつ高出力な半導体発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の半導体発光素子は、
第１導電型基板と、
前記第１導電型基板の表面上に形成された反射層と、
前記反射層上に形成された第１導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層上に形成された発光層と、
前記発光層上に形成された第２導電型クラッド層と
を備え、
前記反射層および前記第１導電型クラッド層は、前記第１導電型基板の表面上に成長させた第１導電型半導体層に、イオン注入法により金属化合物を注入して形成されたものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の半導体発光素子によれば、光吸収がなく、成長層表面の荒れをなくし、結晶性のよい受光層の成長させ、放熱性を改善し、発光効率を高くし、格子不整合を少くできるので、高出力で、チップサイズが小さく、１ワイヤーボンドで組立可能な半導体発光素子を実現できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１
図１は本発明の実施の形態１である紫外発光素子の基本的な構成を示す図である。
【００１１】
図１において、実施の形態１の発光素子は、基板１０１と、コンタクト層１０２と、ｎ型クラッド層１０５と、発光層１０６と、ｐ型クラッド層１０７と、ｐ電極１０８と、ｎ電極１０９とを備えた構成である。コンタクト層１０２は、反射層１０３およびｎ型クラッド層１０４によって構成されている。
［基板１０１，コンタクト層１０２（反射層１０３，ｎ型クラッド層１０４）］
基板１０１は、ｎ型のＧａＮ（ｎ−ＧａＮ）からなり、３．３９［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有する。このｎ型基板１０１の表面上には、ｎ−ＧａＮからなるコンタクト層１０２（３〜５［μｍ］）が有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法という）等により形成されている。
【００１２】
このｎ−ＧａＮからなるコンタクト層１０２には、イオン注入法によりＡｌを基板１０１と平行になるように注入して、反射層１０３（１〜２［μｍ］）が形成されている。具体的には、注入物質であるＡｌを含むソーズガスをアーク放電によりプラズマ化させた後、質量分析器により注入物質イオンを分離し、このイオンをコンタクト層１０２に加速電圧１２０〜２００［ｋｅＶ］で打ち込み、注入エネルギーにより不純物分布の深さを０．０８〜０．１２６［μｍ］、イオン電流により添加不純物量（ドーズ量）を２×１０２０〜２×１０２１［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以上にそれぞれ制御し、注入したイオンを加熱により活性化させる。
【００１３】
さらに、反射層１０３の上層のコンタクト層１０２には、イオン注入法にて、Ａｌを加速電圧１０〜１２０［ｋｅＶ］で打ち込み、注入エネルギーにより不純物分布の深さを０〜０．０８［μｍ］、イオン電流により添加不純物（ドーズ量）を２×１０１５［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］にそれぞれ制御し、注入したイオンを加熱により活性化して、ｎ型のＧａＡｌＮ（例えばＧａ０．７４Ａｌ０．２６Ｎ）からなり、例えば４．１［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有するｎ型クラッド層１０４が形成されている。
［ｎ型クラッド層１０５，発光層１０６，ｐ型クラッド層１０７］
ｎ型クラッド層１０４の表面上には、さらにｎ型のＧａＡｌＮ（例えばＧａ０．７４Ａｌ０．２６Ｎ）からなり、例えば４．１［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有するｎ型クラッド層１０５が形成されている。ｎ型クラッド層１０５の表面上には、ＧａＮからなり、３．３９［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有し、紫外光（波長３６５［ｎｍ］）を発光する発光層１０６が形成されている。発光層１０６の表面上には、ｐ型のＧａＡｌＮ（例えばＧａ０．７４Ａｌ０．２６Ｎ）からなり、例えば４．１［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有するｐ型クラッド層１０７が形成されている。
【００１４】
ここで、ｎ型クラッド層１０５と発光層１０６との距離、およびｐ型クラッド層１０７と発光層１０６との距離は、それぞれ２０〜７０［Å］に構成されている。ｎ型クラッド層１０５、発光層１０６、ｐ型クラッド層１０７は、ＭＯＣＶＤ法等にて順次形成されている。
［ｐ電極１０８，ｎ電極１０９］
ｐ型クラッド層１０７の表面上には、Ａｕからなるｐ電極１０８が形成されており、基板１０１の裏面には、Ａｌからなるｎ電極１０９が形成されている。ここで、ｐ電極１０８、ｎ電極１０９は、スパッタリング法等により、ｐ電極１０８についてはｐ型クラッド層１０７の表面上にＡｕからなる金属層を、ｎ電極１０９についてはｎ型ＧａＮ基板１０１の裏面上にＡｌからなる金属層を、それぞれ形成したものである。
【００１５】
上記構成において、発光層１０６の屈折率は２．６７、ｎ型クラッド層１０５の屈折率は２．５７、ｐ型クラッド層１０７の屈折率は２．５７である。
【００１６】
この実施の形態１の発光素子は、基板１０１と発光層１０６とを同じ熱膨張率を有するＧａＮで構成したことを特徴とする。
【００１７】
この実施の形態１の発光素子では、基板１０１と発光層１０６とに、熱膨張率が５．５９×１０−６［／Ｋ］である同じＧａＮを用いることにより、熱膨張率差による歪み、クラック等の問題を解消できる。
【００１８】
また、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０２は、ｎ−ＧａＮ基板１０１上に、ＭＯＣＶＤ法等により形成されるため、格子不整合はなく、成長層の表面が荒れることもなく、結晶性のよい成長ができる。また、ｎ型のＧａＡｌＮ（ｎ−ＧａＡｌＮ）からなるクラッド層１０４は、反射層１０３の上層のｎ−ＧａＮコンタクト層１０２に、イオン注入法にてＡｌを注入することにより形成されるため、格子不整合は少なく、成長層上の表面が荒れることも少なく、結晶性のよい成長ができる。また、発光層１０６は、上記ｎ−ＧａＡｌＮクラッド層１０４上に、ＭＯＣＶＤ法等により、ｎ−ＧａＡｌＮクラッド層１０５を介して形成されるため、格子不整合は少なく、成長層上の表面が荒れることも少なく、結晶性のよい成長ができる。
【００１９】
また、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０２にイオン注入法にてＡｌを基板１０１と平行になるように注入することによりｎ−ＧａＮコンタクト層１０２の下層に形成された反射層１０３は、上層の発光層１０６からの紫外光（波長３６５［ｎｍ］）を反射し、ｎ−ＧａＮ基板１０１が上記紫外光を吸収することを防止する。また、発光層１０６の上層のｐ型のＧａＡｌＮ（ｐ−ＧａＡｌＮ）からなるクラッド層１０７、および発光層１０６の下層のｎ−ＧａＡｌＮクラッド層１０４，１０５は、紫外光に対して透明であるため、発光層１０６からの紫外光（波長３６５［ｎｍ］）を吸収しない。従って、ｐ型クラッド層１０７の表面上に形成されたｐ電極１０８、ｎ−ＧａＮ基板１０１の裏面上に形成されたｎ電極１０９に、発光層１０６のバンドギャップエネルギー３．３９［ｅＶ］の印加電圧を加えたとき、発光層１０６より発光された紫外光は、発光層１０６の下層のＡｌ反射層１０３により上方に反射されて下方のｎ−ＧａＮ基板１０１で吸収されることはなく、発光層１０６の上層のｐ−ＧａＡｌＮクラッド層１０７および発光層１０６の下層のｎ−ＧａＡｌＮクラッド層１０４，１０５で吸収されることもない。
【００２０】
また、ＧａＮ基板１０１の熱伝導率は１３０［Ｗ／ｍＫ］であり、Ｓｉの熱伝導率は１５１［Ｗ／ｍＫ］、ＡｌＮの熱伝導率は２８５［Ｗ／ｍＫ］、サファイア基板の熱伝導率は約３８［Ｗ／ｍＫ］、ＧａＰの熱伝導率は１１０［Ｗ／ｍＫ］，ＧａＡｓの熱伝導率は４４［Ｗ／ｍＫ］である。従って、ＧａＮ基板１０１の熱伝導率は、Ｓｉ，ＡｌＮ等よりは劣るが、サファイア基板の３．４倍であり、ＧａＰ，ＧａＡｓよりも優れている。
【００２１】
以上のように実施の形態１によれば、従来よりも、光吸収が少なく、成長層上の表面が荒れることが少なく、結晶性のよい発光層の成長ができるとともに、放熱性に優れ、発光効率が高く、格子不整合が少なく、チップサイズが小さく、１ワイヤーボンドで組み立て可能な紫外発光素子を提供できる。
【００２２】
また、従来のように結晶成長後、他の基板を貼り付け、サファイア基板を剥離し、バッファー層、ｎ型コンタクト層を研磨で削除する必要はなく、ｎ−ＧａＮ基板１０１を結晶成長後もそのまま使用できるので、材料ロスがなく、作業工数の少ない経済的な紫外発光素子を提供できる。
実施の形態２
図２は本発明の実施の形態２である紫外発光素子の基本的な構成を示す図である。なお、図２において、上記図１と同様のものには、同じ符号を付してある。
【００２３】
図２において、実施の形態２の発光素子は、基板１０１と、コンタクト層１０２と、ｎ型クラッド層１０５と、発光層１０６と、電流層１１０と、ｐ型クラッド層１０７と、ｐ電極１０８と、ｎ電極１０９とを備えた構成である。コンタクト層１０２は、反射層１０３およびｎ型クラッド層１０４によって構成されている。
［基板１０１，コンタクト層１０２（反射層１０３，ｎ型クラッド層１０４）］
基板１０１はｎ−ＧａＮからなり、３．３９［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有する。このｎ型基板１０１の表面上には、ｎ−ＧａＮからなるコンタクト層１０２（３〜５［μｍ］）がＭＯＣＶＤ法等により形成されている。
【００２４】
このｎ−ＧａＮからなるコンタクト層１０２には、イオン注入法によりＡｌを基板１０１と平行になるように注入して、反射層１０３（１〜２［μｍ］）が形成されている。具体的には、注入物質であるＡｌを含むソーズガスをアーク放電によりプラズマ化させた後、質量分析器により注入物質イオンを分離し、このイオンをコンタクト層１０２に加速電圧１２０〜２００［ｋｅＶ］で打ち込み、注入エネルギーにより不純物分布の深さを０．０８〜０．１２６［μｍ］、イオン電流により添加不純物量（ドーズ量）を２×１０２０〜２×１０２１［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以上にそれぞれ制御し、注入したイオンを加熱により活性化させる。
【００２５】
さらに、反射層１０３の上層のコンタクト層１０２には、イオン注入法にてＡｌを加速電圧１０〜１２０［ｋｅＶ］で打ち込み、注入エネルギーにより不純物分布の深さを０〜０．０８［μｍ］、イオン電流により添加不純物（ドーズ量）を２×１０１５［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］にそれぞれ制御し、注入したイオンを加熱により活性化して、ｎ型のＧａＡｌＮ（例えばＧａ０．７４Ａｌ０．２６Ｎ）からなり、例えば４．１［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有するｎ型クラッド層１０４が形成されている。
［ｎ型クラッド層１０５，発光層１０６，電流層１１０，ｐ型クラッド層１０７］
ｎ型クラッド層１０４の表面上には、さらにｎ型のＧａＡｌＮ（例えばＧａ０．７４Ａｌ０．２６Ｎ）からなり、例えば４．１［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有するｎ型クラッド層１０５が形成されている。ｎ型クラッド層１０５の表面上には、ＧａＮからなり、３．３９［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有し、紫外光（波長３６５［ｎｍ］）を発光する発光層１０６が形成されている。
【００２６】
発光層１０３６の表面上には、ＩｎＧａＮ（例えばＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ）からなり、例えば３．３６［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有する電流層１１０が形成されている。電流層１１０の表面上には、ｐ型のＧａＡｌＮ（例えばＧａ０．７４Ａｌ０．２６Ｎ）からなり、例えば４．１［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有するｐ型クラッド層１０７が形成されている。
【００２７】
ここで、ｎ型クラッド層１０５と発光層１０６との距離、発光層１０６と電流層１１０との距離、電流層１１０とｐ型クラッド層１０７との距離は、それぞれ２０〜７０［Å］に構成されている。ｎ型クラッド層１０５、発光層１０６、電流層１１０、ｐ型クラッド層１０７は、ＭＯＣＶＤ法等にて順次形成されている。
［ｐ電極１０８，ｎ電極１０９］
ｐ型クラッド層１０７の表面上には、Ａｕからなるｐ電極１０８が形成されており、基板１０１の裏面には、Ａｌからなるｎ電極１０９が形成されている。ここで、ｐ電極１０８、ｎ電極１０９は、スパッタリング法等により、ｐ電極１０８についてはｐ型クラッド層１０７の表面上にＡｕからなる金属層を、ｎ電極１０９についてはｎ型ＧａＮ基板１０１の裏面上にＡｌからなる金属層を、それぞれ形成したものである。
【００２８】
上記構成において、発光層１０６の屈折率は２．６７、ｎ型クラッド層１０５の屈折率は２．５７、電流層１１０の屈折率は２．６８、ｐ型クラッド層１０７の屈折率は２．５７である。
【００２９】
この実施の形態２の発光素子は、基板１０１と発光層１０６とを同じ熱膨張率を有するＧａＮで構成するとともに、発光層１０６の上に設けた電流層１１０が電流集中層として作用することを特徴とする。
【００３０】
この実施の形態２の発光素子では、基板１０１と発光層１０６とに、熱膨張率が５．５９×１０−６［／Ｋ］である同じＧａＮを用いることにより、熱膨張率差による歪み、クラック等の問題を解消できる。
【００３１】
また、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０２は、ｎ−ＧａＮ基板１０１上にＭＯＣＶＤ法等により形成されるため、格子不整合はなく、成長層の表面が荒れることもなく、結晶性のよい成長ができる。また、ｎ−ＧａＡｌＮクラッド層１０４は、反射層１０３の上層のｎ−ＧａＮコンタクト層１０２に、イオン注入法にてＡｌを注入することにより形成されるため、格子不整合は少なく、成長層上の表面が荒れることも少なく、結晶性のよい成長ができる。また、発光層１０６は、上記ｎ−ＧａＡｌＮクラッド層１０４上に、ＭＯＣＶＤ法等により、ｎ−ＧａＡｌＮクラッド層１０５を介して形成されるため、格子不整合は少なく、成長層上の表面が荒れることも少なく、結晶性のよい成長ができる。
【００３２】
また、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０２にイオン注入法にてＡｌを注入することによりｎ−ＧａＮコンタクト層１０２の下層に形成された反射層１０３は、上層の発光層１０６からの紫外光（波長３６５［ｎｍ］）を反射し、ｎ−ＧａＮ基板１０１が上記紫外光を吸収することを防止する。また、発光層１０６の上層のｐ型のＧａＡｌＮ（ｐ−ＧａＡｌＮ）からなるクラッド層１０７、および発光層１０６の下層のｎ−ＧａＡｌＮクラッド層１０４，１０５は、紫外光に対して透明であるため、発光層１０６からの紫外光（波長３６５［ｎｍ］）を吸収しない。
【００３３】
また、ＧａＮ基板１０１の熱伝導率は１３０［Ｗ／ｍＫ］であり、Ｓｉの熱伝導率は１５１［Ｗ／ｍＫ］、ＡｌＮの熱伝導率は２８５［Ｗ／ｍＫ］、サファイア基板の熱伝導率は約３８［Ｗ／ｍＫ］、ＧａＰの熱伝導率は１１０［Ｗ／ｍＫ］，ＧａＡｓの熱伝導率は４４［Ｗ／ｍＫ］である。従って、ＧａＮ基板１０１の熱伝導率は、Ｓｉ，ＡｌＮ等よりは劣るが、サファイア基板の３．４倍であり、ＧａＰ，ＧａＡｓよりも優れている。
【００３４】
従来のｐｎ接合紫外ＬＥＤでは、通常ｎ型層中の電子密度がｐ型層中の正孔密度より高く、ｐｎ接合を順方向にバイアスすると、ｐ型層中に注入される電子の数がｎ型層中に注入される正孔の数より多くなってしまうため、発光が主として効率の悪いｐ型層中で発生してしまい、紫外ＬＥＤの発光効率を高くできないという問題があった。
【００３５】
これに対し、この実施の形態２の紫外発光素子においては、電流層１１０の働きにより、電子が閉じ込められ、ｐ型層中に注入されないため、発光が効率の悪いｐ型層中で発生してしまうことがない。そして、電流層１１０が電流集中層として働くため、しきい値電流を低減し、紫外発光素子の発光効率を上げ、高出力化できる。
【００３６】
図２の実施の形態２の紫外発光素子において、ｐ電極１０８とｎ電極１０９の間の印加電圧（駆動電圧）を、電流層１１０のバンドギャップエネルギー（３．３６［ｅＶ］）に相当する電圧まで除々に上げていくと、ｎ型クラッド層１０５（バンドギャップエネルギー４．１［ｅＶ］），発光層１０６（バンドギャップエネルギー３．３９［ｅＶ］），電流層１１０（バンドギャップエネルギー３．３６［ｅＶ］），ｐ型クラッド層１０７（バンドギャップエネルギー４．１［ｅＶ］）の内で、電流層１１０のバンドギャップエネルギーが最も小さいため、ｎ型クラッド層１０５からｐ側に流れる電子は電流層１１０の伝導帯に流れ込み、ｐ型クラッド層１０７からｎ側に流れる正孔は電流層１１０の価電子帯に流れ込む。
【００３７】
ここで、両電極１０８，１０９間には、電流層１１０のバンドギャップエネルギー３．３６［ｅＶ］に相当する電圧が印加されており、発光層１０６のバンドギャップエネルギー３．３９［ｅＶ］に相当する電圧が印加されていないが、電流層１１０は、バンドギャップエネルギーが最も小さい層であるため、ｐ電極１０８から注入された電流は、発光層１０６に接する電流層１１０に集中して流れようとする（電流集中作用）。従って、ｐ電極１０８から注入された電流が電流層１１０に無駄なく流れるようになるため、この電流層１１０に接して形成されている発光層１０６の電流密度が増加する。従って、しきい値電流が低減されることになり、駆動電圧を、発光層１０６のバンドギャップエネルギー（３．３９［ｅＶ］）に相当する電圧よりも低減することができる。その結果、電流層１１０のみならず、発光層１０６の価電子帯にも正孔が流れ込むことになり、発光層１０６の伝導帯にも電子が流れ込む。
【００３８】
発光層１０６および電流層１１０の伝導帯に流れ込んだ電子は、ｐ電極１０８の方へ引っ張られるが、電流層１１０から見てｐ側に形成されているｐ型クラッド層１０７のバンドギャップエネルギー（４．１［ｅＶ］）は発光層１０６のバンドギャップエネルギー（３．３９［ｅＶ］）および電流層１１０のバンドギャップエネルギー（３．３６［ｅＶ］）よりも十分に大きいため、このｐ型クラッド層１０７がキャリア（ここでは電子）閉じ込め層として作用し、その結果、電子は、発光層１０６および電流層１１０の伝導帯内に閉じ込められる。
【００３９】
一方、電流層１１０の価電子帯に流れ込んだ正孔は、ｎ電極１０９の方へと引っ張られるが、電流層１１０から見てｎ側に形成されている発光層１０６のバンドギャップエネルギー（３．３９［ｅＶ］）は電流層１１０のバンドギャップエネルギー（３．３６［ｅＶ］）と比較して０．０３［ｅＶ］しか大きくないため、発光層１０６は電流層１１０のキャリア（ここでは正孔）閉じ込め層として作用することができず、その結果、電流層１１０の価電子帯内に流れ込んだ正孔は、発光層１０６の価電子帯内に流れ込み、電流層１１０の価電子帯内には閉じ込められない。
【００４０】
発光層１０６の価電子帯内に流れ込んだ正孔は、ｎ電極１０９の方へと引っ張られるが、発光層１０６のｎ側に形成されているｎ型クラッド層１０５のバンドギャップエネルギー（４．１［ｅＶ］）は発光層１０６のバンドギャップエネルギー（３．３９［ｅＶ］）よりも十分に大きいため、このｎクラッド層１０５がキャリア（ここでは正孔）閉じ込め層として作用し、その結果、正孔は発光層１０６の価電子帯内に閉じ込められる。
【００４１】
このように、電流層１１０の価電子帯には正孔は閉じ込められていないため、電流層１１０では電子と正孔の有効な再結合が行われず、電流層１１０において発光は起こらないが、発光層１０６の伝導帯に電子が、価電子帯に正孔が閉じ込められているため、発光層１０６において電子と正孔の有効な再結合が行われ、紫外光（例えば、波長３６５［ｎｍ］）の発光が起こる。
【００４２】
この実施の形態２では、電流層１１０のバンドギャップエネルギーが最も小さい（３．３６［ｅＶ］）ため、ｐ電極１０８から注入された電流は、発光層１０６に接する電流層１１０に集中して流れようとする（電流集中作用）。従って、ｐ電極１０８から注入された電流が電流層１１０に無駄なく流れるようになるため、この電流層１１０に接して形成されている発光層１０６の電流密度が増加することになり、しきい値電流の低減が実現される。
【００４３】
また、この実施の形態２では、発光層１０６と電流層１１０の間にバリア層を設けることなく、これら発光層１０６と電流層１１０が直接接する構成となっており、電気回路的には発光層１０６と電流層１１０は並列になり、発光層１０６のバンドギャップエネルギーに最も小さい電流層１１０のバンドギャップエネルギーが加わるため、発光層１０６の駆動電圧を下げることができる。
【００４４】
また、この実施の形態２では、発光層１０６はバンドギャップエネルギーの大きなｎ型クラッド層１０５とｐ型クラッド層１０７により挟まれているため、発光層１０６と電流層１１０の内でより大きいバンドギャップエネルギーを有する発光層１０６のバンドギャップエネルギー（３．３９［ｅＶ］）に相当する電圧を、両電極１０８，１０９間に印加しさえすれば、発光層１０６により紫外光の発光が可能になり、従来の発光素子よりも低い駆動電圧での発光が可能になる。
【００４５】
また、この実施の形態２では、電流層１１０の上記電流集中作用により、p側電極１０８から注入された電流が無駄なく流れるため、発光層１０６の電流密度が増加することになり、しきい値電流が低減されることになる。従って、駆動電圧を発光層１０６のバンドギャップエネルギー（３．３９［ｅＶ］）に相当する電圧よりもさらに低減することが可能となる。
【００４６】
また、この実施の形態２では、発光層１０６（屈折率２．６７）と電流層１１０（屈折率２．６８）の屈折率の差が小さいため、発光層１０６による発光は電流層１１０に広がるとともに、発光層１０６に閉じ込められることになる。従って、電流層１１０は発光層１０６の光ガイド層として作用する。
【００４７】
また、この実施の形態２では、発光層１０６よりバンドギャップエネルギーの小さい電流層１１０を発光層１０６の表面層に設け、ｐ電極１０８から注入された電流を電流層１１０に集中させる構成としているため、発光層１０６に直接電流が集中するのを防止することができるとともに、電流層１１０は発光しないため、発光層１０６の寿命改善を図ることができる。
【００４８】
なお、上記実施の形態２では、発光層１０６と電流層１１０のバンドギャップエネルギーの差を０．０３［ｅＶ］としたが、このバンドギャップエネルギーの差は、電流層１１０において発光が起こらない範囲、つまり発光層１０６が電流層１１０のキャリア閉じ込め層として作用しない０．３［ｅＶ］未満となるように適宜設定することができる。上記実施の形態２では、電流層１１０を構成する半導体化合物の組成をＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎとしたが、発光層１０６と電流層１１０のバンドギャップエネルギーの差が０．３［ｅＶ］以下となる範囲で、電流層１１０を構成するＩｎＧａＮの組成比を変えることにより、しきい値電流を制御することができるため、結果として、発光層１０６による光の出力を制御することができる。
【００４９】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づく種々の変形をすることが可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。
【００５０】
例えば、上記実施の形態では、ＧａＮ発光層を用いた半導体発光素子について説明したが、他の半導体材料、例えばＩｎＧａＮ，ＧａＡｌＮの一部または全部をＡｓおよび／またはＰ等で置換した材料や、ＧａＡｓ系化合物半導体を用いた半導体発光素子についても本発明を適用できる。
【００５１】
また、上記実施の形態では、ダブルへテロ構造について説明したが、クラッド層，発光層，電流層は、単一量子井戸構造（ＳＱＷ），多重量子井戸構造（ＭＱＷ），量子ドット構造にて構成されているとしてもよい。
【００５２】
また、上記実施の形態では、発光素子の構造を説明するために、便宜上、基板が下層側に位置し、これに結晶層が上方へ積み重ねられる構造とし、下層側をｎ型、上層側をｐ型として説明したが、ｎ型を上層側、ｐ型を下層側とした構成としてもよい。
【００５３】
また、上記実施の形態では、半導体発光素子としてＬＥＤを用いて説明したが、例えば、ｐ型クラッド層に電流狭窄層を設けたレーザ構造としてもよい。
【００５４】
また、上記実施の形態で説明した発光層を活性層とし、この活性層の出力をｐ電極上に出力する面発光型レーザを構成することもできる。
【００５５】
また、上記実施の形態では、基板をｎ型のＧａＮ基板としたが、例えばＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＡｌＮ基板、ＡｌＮ基板等、格子間の整合性や熱膨張率を考慮して、基板を適宜選択することもできる。
【００５６】
また、上記実施の形態では、ｎ型クラッド層１０４の上にｎ型クラッド層１０５を形成したが、直接ｎ型クラッド層１０４の上に発光層１０６を形成してもよい。
【００５７】
また、上記実施の形態では、反射層１０３としてＡｌ層を説明したが、例えばＩｎ，Ａｕ，Ａｇ、またはその化合物を用いた構成とすることができる。
【００５８】
また、上記実施の形態では、ｎ電極１０９を、Ａｌにより形成したが、Ａｕにより形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施の形態１である半導体発光素子の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態２である半導体発光素子の構成を示す図である。
【図３】従来の半導体発光素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０１  ｎ型基板
１０２  ｎ型コンタクト層
１０３  反射層
１０４，１０５  ｎ型クラッド層
１０６  発光層
１０７  ｐ型クラッド層
１１０  電流層
１０８  ｐ電極
１０９  ｎ電極
【図１】
2005129684.tif 000003
【図２】
2005129684.tif 000004
【図３】
2005129684.tif 000005